[发明专利]高活性合金定向凝固用型壳及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种耐火材料及应用，特别是涉及一种耐火材料在高活性合金熔体定向凝固工艺中的应用，应用于定向凝固铸型技术领域。

背景技术

定向凝固工艺经过不断改进和完善，越来越成熟，因此被成功地应用于制造航空发动机和工业燃气轮机涡轮叶片等铸件。定向凝固用陶瓷型壳的工作过程决定了陶瓷型壳材料的工作条件十分苛刻。型壳需要在1500～1600℃的高温下长时间工作，定向凝固过程中型壳与高温合金熔液接触并保持完整的时间至少1h或更长。因此要获得优质型壳，型壳材料应满足以下要求：①型壳材料与高温合金液润湿性好，在长时间高温高真空条件下，金属液和型壳之间不产生明显的化学反应；②型壳具有足够的耐热温度、高温强度和高温抗蠕变性能，能抵御熔融金属的机械冲击和热冲击；③型壳具有优良而稳定的热物理性能，热膨胀系数低、导热性能满足要求；溃散性好，浇注后容易从铸件上清除。

对于钛合金和锆合金而言，由于合金熔体高的化学活性会与普通的型壳耐火材料发生反应，反应生成的夹杂物除了会对浇注合金的表面质量造成影响外，还会破坏柱状晶或单晶的生长，以至于浇注过后得不到我们想要的定向凝固组织。以钛合金中的TiAl 合金为例，TiAl 金属间化合物具有高比强度、高弹性模量，优良的抗蠕变、抗氧化、耐高温和阻燃性能，密度低不到镍基合金的50%，被认为是850～1000℃范围内最值得关注的轻质高温结构材料。然而这种合金在高温下的力学性能有明显的方向性，当加载中与片层取向的夹角为0°时，合金的塑性和强度能达到良好的匹配。例如按照摩尔分数制备的Ti-46Al-1.5Mo-0.2C合金，其具有定向凝固片层组织的铸锭可以获得在210MPa，750℃下，经200 h，蠕变变形仅为0.15%、稳态蠕变率接近10^-10s^-1 的优异性能，如果能将普通铸造TiAl 合金叶片发展为定向或单晶叶片，将能大大提高压气机的性能水平。但是由于钛合金熔体高的化学活性，会与普通的耐火材料发生不同程度的化学反应，以至在TiAl 合金定向凝固过程中得不到理想的定向凝固组织。因此目前还未见有关于TiAl 合金定向凝固铸件应用的相关报道。

在BaO-ZrO₂二元系中，其复合型氧化物具有良好的热物理性能。例如：BaZrO₃是一个熔点高达2700℃的难熔化合物，热力学性质稳定，可作为高温固体电解质、高温结构陶瓷和耐火材料，具有良好的抗热震性，立方钙钛矿结构，密度为5.562g/cm³价格便宜。目前，国内外对BaZrO₃作为耐火材料的研究已铺展开来，作为耐火材料已在某些熔炼中用作反应容器的原材料，例如，有研究报道，它是目前在熔炼高质量的单晶体钇钡铜氧超导材料中最稳定的坩埚材料，这种新型的耐火材料在用于钇钡铜氧超导材料时具有以下优点：熔炼后的单晶体中未含有来自坩埚的杂质元素，同时因坩埚侵蚀所带来的变化不再影响熔融的合金组成，这样可以克服坩埚材料与合金熔体反应而生成的生成物。且有报道称已将BaZrO₃成功的应用于Ti6Al4V以及化学活性稍低的TiNi、TiFe合金的熔炼，但还未见其应用于定向凝固工艺中。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种高活性合金定向凝固用型壳，用ZrO₂-BaO复合型氧化物作为型壳的面层材料的主要组分，采用本发明型壳能显著降低高活性合金在定向凝固过程中与型壳材料的界面反应程度，获得更理想的定向凝固组织，即柱状晶或单晶组织，适合在高活性合金定向凝固工艺或单晶制备过程中应用。  

为达到上述发明创造目的，本发明采用下述技术方案：

一种高活性合金定向凝固用型壳，型壳面层由型壳面层浆料和型壳面层撒砂材料固化结合成型，所述型壳面层浆料的混合组分主要包括配制浆料用粉体、粘结剂和辅助添加剂，其中辅助添加剂表面活性剂和消泡剂，所述型壳面层撒砂的骨料为粉体材料，所述型壳面层浆料中的配制浆料用粉体和型壳面层撒砂材料的骨料用粉体皆为BaO-ZrO₂复合型氧化物耐火材料，按照组分质量百分比，所述BaO-ZrO₂复合型氧化物耐火材料主要成分为40-55wt% 的BaO、45-60wt% 的ZrO₂，其他杂质含量<3%。